可编程逻辑控制器(PLC)是一种紧凑的基于计算机的电子系统，它使用数字或输入/输出模块来控制机器、过程和其他控制模块。PLC能够接收(输入)和发送(输出)各种类型的电气和电子信号，并使用它们来控制和监视几乎任何类型的机械和/或电气系统。plc根据提供的I/O功能的数量进行分类。例如，纳米PLC包含少于32个I/ o，微型PLC具有32到128个I/ o，小型PLC具有128到256个I/ o，等等。典型的PLC系统如图1所示。

PLC系统包括输入模块、输出模块和输入/输出模块。由于许多输入和输出涉及现实世界的变量，而控制器是数字的，plc系统的硬件设计任务侧重于对数字转换器(dac)和数字转换器(adc)的要求，输入和输出信号调理，以及输入和输出模块与控制器和彼此之间的电线隔离。

I/O模块的分辨率通常在12位到16位之间，在工业温度范围内具有0.1%的精度。输出电压和电流范围包括±5v、±10v、0v ~ 5v、0v ~ 10v、4 ~ 20ma、0 ~ 20ma。dac的沉淀时间要求从10µs到100 ms不等，具体取决于应用。输入范围可以小到±10 mV，从桥式换能器，大到±10 V，从执行器控制器，或4至20 mA电流，在工业过程控制系统。根据所需的精度和ADC架构的选择，转换时间从每秒10个样本到每秒数百个样本不等。

数字隔离器-光耦合器或电磁隔离器-用于将系统现场侧的adc, dac和信号调理电路与数字侧的控制器隔离开来。如果系统还必须在侧面完全隔离，则需要在输入或输出的每个通道上安装转换器，以最大限度地提高通道之间的隔离，并且需要通过变压器或Devices isoPower 技术实现隔离电源。

i CMOS 工艺

用于PLC设计的输入和输出部分的许多器件产品都受益于iCMOS, iCMOS是一种新的高性能制造工艺，将高压硅与亚微米CMOS和互补双极技术相结合。

这种强大的组合允许单个芯片设计混合和匹配5v CMOS电路与更高电压的16、24或30 v CMOS电路，多个电压电源馈送同一芯片。与前几代高压产品相比，亚微米iCMOS器件具有更高的性能、更集成的功能集和更低的功耗，并且需要更小的电路板面积。双极技术为adc、dac和低偏置放大器提供精确的参考、出色的匹配和高稳定性。

薄膜电阻器具有12位初始匹配，16位修整匹配，温度和电压系数比传统多晶硅电阻器高20倍，是高精度，高精度数字转换器的理想选择。片上薄膜熔断器允许使用数字技术来校准高精度转换器中的积分非线性，偏移和增益。

PLC输出模块

plc系统输出-通常用于控制执行器，阀门和电机在工业环境-采用标准输出范围，如±5 V，±10 V, 0 V至5 V, 0 V至10 V, 4至20 mA，或0至20 mA。输出信号链通常包括数字隔离-将控制器的数字输出与DAC和信号调理隔离开来。数字隔离系统中的转换器主要使用3线或4线串行接口，以尽量减少所需的数字隔离器或光耦合器数量。

plc系统输出模块通常采用两种架构:每个通道DAC和每个通道采样保持器。第一种是在每个通道中使用专用DAC来产生其控制电压或电流。各种可用的多通道dac以较低的每通道成本提供空间经济性，但需要通道间隔离的通道通常使用单通道dac。图2显示了典型的每个通道dac配置。最简单的dac是低压单电源类型，工作电压为2.5 V至5.5 V，输出范围为0 V至V(REF)。它们的输出信号可以调节为产生任何所需的电压或电流范围。双极输出变换器需要双电源，可用于必须提供双极输出电压范围的输出模块。

表1显示了适用于实现PLC输出模块的16位多通道D/ a转换器的选择。这些产品提供双极或单极输出范围，沉淀时间为10µs。这些系列的其他成员，有12位和14位分辨率，与16位版本的引脚兼容，允许从12位直接升级到16位，不需要更改硬件和最小的软件更改。大多数这些设备包括一个片上参考，从而提供一个完全集成的输出解决方案。

四路D/A转换器非常适合非隔离多通道输出设计，其中可以使用外部信号调理电路实现多达四种不同的输出配置。例如，图3显示了AD5664R(16位四路电压输出DAC)如何提供其指定的0-V至5-V输出范围，或者使用外部四路运放连接各种标准输出电压范围，或者用于电流吸收输出。在双极输出配置中，其内部基准的外部输出提供必要的跟踪失调电压。AD5664R采用单个5 v电源供电，内置2.5 v、5 ppm/°C基准，采用小巧的3mm × 3mm LFCSP封装。

图4显示了隔离4- 20ma电流环控制电路中的单通道转换器。AD5662采用SOT-23封装，非常适合需要在输出通道之间实现完全隔离的应用。

AD5662的最大输出电压跨度为5 V，由ADR02电压基准提供，它从可变回路电压中获得精确的稳压电源。使用运算放大器和晶体管电路将5v dac输出转换为4- 20ma电流输出。由于运放(N1)的非反相输入是虚地，运放调节电流I(S)，以保持R(S)和R(3)之间的电压降相等，因此

N2处的电流求和得到回路电流，

对N1处的电流求和:

环路电流的4ma偏置分量由参考提供:

回路电流的可编程0- 16ma组件由DAC提供:

每个通道的采样量

另一种架构使用开关电容和缓冲器作为采样保持放大器(sha)来存储来自单个高性能DAC的选定输出采样，如图5所示。使用多路复用器在各种电容器之间切换样品。由于系统的保持精度是由电容器的下降率决定的，因此通道经常刷新以保持所需的精度。根据输出要求，DAC既可以是低压单电源转换器，也可以是双极输出转换器。缓冲器可以提供信号调节，它对电容器提供高输入阻抗，并为驱动输出负载提供低输出阻抗。

表2显示了单通道16位D/ a转换器的选择，满量程稳定时间从4µs到10µs。它们非常适合采样保持输出架构，采用小尺寸表面贴装封装。

开关和多路复用器

对于采样保持和其他数据采集应用，需要具有低故障和低电荷注入的低电容开关，在i CMOS上设计的ADG12xx/ADG13xx系列±15 v开关和多路复用器非常有用。

对于其他需要极低导通电阻的应用，ADG1408和ADG1409±15 V多路复用器在整个信号范围内提供最大9 V的电压。除了具有低R(ON)外，其优异的导通电阻平坦度(具有电压电平)使其成为低失真对可靠，可预测电路性能至关重要的应用的理想解决方案。

表3列出了一系列CMOS开关和多路复用器的电容、电荷注入和R(ON)。它们与早期流行的型号ADG508/ADG509进行了比较。

电源和数字信号的电流隔离

在plc，过程控制，数据采集和控制系统中，数字信号从各种传感器传输到中央控制器进行处理和分析。为了在用户界面上保持安全电压，并防止瞬态从电源传输，需要进行电流隔离。最常用的隔离装置是光耦合器、基于变压器的隔离器和电容耦合隔离器。

流行的光耦合器包含发光二极管(led)——将电信号转换为相应的光强度——和光电探测器——将光转换回电信号。一般来说，它们的led具有转换效率低和光电探测器响应慢的特点;总的来说，光耦合器往往具有有限的寿命，以及在温度，速度和功耗方面的过度性能变化。它们通常仅限于单通道或双通道配置，并且需要外部组件来配置完整的功能。

Devices开发了一种新的隔离方法，将芯片级变压器技术与集成CMOS输入和输出相结合。这些我耦合器 器件易于使用，具有比光耦合器更小的尺寸，更低的成本和更低的功率要求。可提供多种通道配置和性能水平，具有标准CMOS接口，我耦合器不需要外部组件，并且在温度，电源电压和寿命方面提供高性能和稳定性。一个典型的我耦合器隔离IC ADuM2400四路隔离器及其接口和耦合变压器如图6所示。

我耦合器的数据速率和时间规格比常用的高速光耦合器快两到四倍，而且它们的工作功率只有光耦合器的1/50，相应地散热更少，可靠性更高，成本更低。表4显示了可用的通道配置选项。

在完全隔离的系统中，从系统端向现场端提供隔离电源是另一个挑战，但有一个新兴的解决方案。用于跨隔离屏障传输功率的传统技术包括一个单独的、相对较大的、昂贵的dc- dc转换器，或者一个难以设计和接口的分立组件。一种更新、更好的方法，目前可提供高达50兆瓦的电源，是使用一个完整的、完全集成的隔离解决方案，包括使用微变压器在隔离屏障上传输信号和功率。ADuM524x iso Power系列产品在单个组件内为信号和电源提供高达5 kV的隔离，从而无需单独的隔离电源，并显着降低隔离系统的总成本，电路板面积要求和设计时间。一个典型的设备如图7所示。所有产品均通过UL、CSA、VDE安全认证。

PLC输入模块

PLC系统的结构和输入模块产品的选择取决于需要监控的输入信号水平。来自各种类型的传感器和过程控制变量的信号被监测，可以涉及±10mv到±10v的输入信号范围。下表显示了一些源及其典型的输入范围要求。

输入模块低电平信号范围

各种A/D转换器类型可用于工业和PLC应用，包括逐次逼近(SAR)，闪/并行，积分(包括sigma-delta)和斜坡/计数。为特定应用选择ADC主要取决于输入传感器所需的输入-信号范围，以及所需的精度、信号频率内容、最大信号电平和动态范围。最广泛使用的体系结构是逐次逼近和sigma-delta。

连续逼近adc提供从12位到18位的分辨率，具有高吞吐率;它们非常适合多通道多路复用应用，其中需要以相当高的采样率监控多个输入通道。

Sigma-delta架构提供从16位到24位的分辨率。它们采用高过采样率和数字滤波来实现高分辨率和精度，但其吞吐率低于SAR类型。Sigma-delta架构通常在前端包含可编程增益放大器(pga);在每通道转换器应用中，这允许传感器和ADC之间的直接接口(无需信号调节)。

当测量来自热电偶、应变片和桥式压力传感器的低电平信号时，一个关键要求是能够执行差分测量以抑制共模干扰，并在存在噪声的情况下提供更稳定的测量。例如，在工业应用中，差分输入用于消除共模噪声或来自电动机、交流电源线或噪声源的干扰，这些噪声源将噪声注入A/D转换器的输入。

单端输入成本较低，为相同数量的输入引脚提供两倍数量的输入通道，因为它们每个通道只需要一个输入，并且都参考相同的接地点。它们主要用于高信号电平、低噪声和稳定共地的应用中。

图8显示了可以包含在隔离PLC输入模块的离散实现中的许多元件，包括激励和输入信号调理、故障保护多路复用器(用于处理大量输入信号)、可编程增益放大器和a /D转换器。许多这些功能，以前是由离散的集成电路和无源元件组合而成，现在可以完全集成和表征A/ d转换器和前端集成电路。

例如，具有内部参考的i CMOS PulSAR adc的AD761x(16位)和AD763x(18位)系列提供可编程输入电压范围(0 V至5 V, 0 V至10 V，±5 V和±10 V)，允许设计人员动态更改输入。对于这些设备，所有交换都是通过内部寄存器完成的，消除了数据延迟并提供了改进的通道交换速度。表5显示了非常适合PLC应用的16位/18位PulSAR adc的选择。

另一个集成度更高的例子是AD7792 / AD7793 / AD7794 / AD7795 / AD7798 / AD7799系列sigma-delta adc。除了超低噪声(40 nV)和低功耗要求(400µA)外，该系列还提供片上PGA(增益从1到128)、参考电压、传感器激励电流源和时钟等功能，这些功能都集成在一个小型TSSOP封装中。极低噪声和低功耗的结合使这些设备非常适合需要高精度测量的应用。

这些adc可以直接连接到许多应用中的传感器接口，包括plc，温度测量，称重秤，压力和流量测量以及一般测量设备。它们的更新速率可从4 Hz到500 Hz进行编程，并且它们以选定的更新速率同时拒绝50 Hz和60 Hz信号。表6显示了AD779x系列转换器提供的特性和功能。

图9显示了使用AD7794/AD7795测量来自桥式传感器和基于电阻的温度传感器的输入信号的典型配置。

当plc和工业I/O需要具有高达±10 V电压输入能力的高精度故障保护测量时，并且需要多通道的高吞吐量时，AD7732(两个全差分输入通道)，AD7734(四个单端输入通道)和AD7738(四个全差分或八个单端输入通道)是理想的选择。

图10显示了使用AD7734测量PLC和过程控制应用中常见的高电平信号的典型配置。前端具有四个单端输入通道，单极或真双极输入范围为±10v，同时从单个5v电源工作。可接受±16.5 V的输入过电压，且不影响相邻通道的性能，器件可发出超量程和欠量程信号。

电压参考

稳定、准确、低噪声的独立参考在某些PLC应用中是重要的。表7概述了各种高性能电压参考，范围从用于高端工业应用的高精度、低噪声ic到用于手持式电池供电应用的通用低功耗器件。

放大器(仪表及操作)

仪表放大器(内放大器)测量两个输入电压之间的差异(同时拒绝两个输入共有的任何信号)，应用固定或可编程增益，并提供单端输出，由参考端施加的电压偏置。由于不充分的共模抑制(CMR)会导致在输出端难以消除的大时变误差，因此现代内放提供80 dB至120 dB的直流和低频CMR。在数据采集，PLC和工业过程控制应用中，放大器在从传感器和其他信号源提取小信号方面提供了重要功能。与所有直流放大器一样，内放必须具有低直流偏置电压和漂移。

AD8220是一款高度通用的仪表放大器，可用于各种应用，例如传感器(如应变计)和adc之间的信号调理，医疗应用，可编程逻辑控制器，数据采集卡和I/O卡。它提供从1到1000的电阻可编程增益，具有80 db CMR, 1 mv偏移和10µV/°C漂移。

运算放大器是电路的“主力”，Devices提供当今市场上最大的运算放大器稳压器之一。创新的设计，结合最近IC工艺的发展，如高压i CMOS和高性能i Polar ，使得为工业市场推出的器件具有显着提高的性能和更大的功能-在旧工艺几何形状的电路板空间的四分之一。表8和表9分别列出了PLC应用中经常使用的单通道和多通道放大器产品。它们很容易处理通常需要支持±10 v输出范围的高电源电压，并且它们具有低失调电压和低电源电流-并且被封装在一个小封装中。

结论

plc的工业系统设计师继续在不断缩小的电路板面积和不断缩小的预算下追求更高的性能和功能。为了提供能够满足这些严格要求的集成电路，并在信号链中竞争所有重要的插座，Devices开发了重要的新制造工艺。i CMOS工艺技术将高压硅与亚微米CMOS和互补双极技术相结合，使ic能够在更小的占地面积内以更低的成本获得更高的性能，从而实现30 v的工作(许多工业应用所需)。我基于芯片级变压器(而不是led和光电二极管)的耦合器隔离技术可以与CMOS半导体功能集成，以实现低成本的隔离。iPolar沟槽隔离工艺允许电源电压高达±18 V，与传统的双极放大器相比，性能有了显着提高，同时功耗降低了一半，封装尺寸减少了75%。这些技术很好地满足了当前的需求，前景光明。

附录:选择表(这些表格的更新版本可在。)

表1。针对每通道dac应用的16位多通道D/A转换器

表2。单通道16位D/A转换器

表3。i CMOS开关和多路复用器

表4。数字光电隔离器

表5所示。可编程输入范围16位/18位脉冲星adc

表6所示。AD779x Sigma-Delta ADC系列提供的功能

表7所示。参考电压

表8所示。常用于PLC和信号调理应用的单通道放大器

表9所示。多路高压放大器常用于PLC和信号调理应用